Studiengang in Gießen: Bewegung und Bewegungserfassung verstehen

Ich fühle mich hier genau am richtigen Ort“, sagt Thomas Stief, als er uns auf dem Gelände der Sportanlagen der Justus-Liebig-Universität am Gießener Kugelberg begrüßt. Aufgrund der Semesterferien sind nur wenige Studenten und Lehrkräfte zu sehen, doch braucht es nicht viel Phantasie, um sich vorzustellen, wie sich das Stadion, die Schwimmhalle und die Hörsäle während des Semesters mit Leben füllen. Der Sportplatz und die Laufbahn werden gerade neu gemacht und mit hochwertiger Messtechnik ausgestattet, die Tribüne wird erweitert.

Genutzt werden die Anlagen von rund 1.000 Lehramtsstudenten für das Fach Sport, die am Institut für Sportwissenschaft eingeschrieben sind. Hinzu kommen rund 500 Studierende, die an diesem Institut einen gesundheitsorientierten Bachelor oder Master machen. In zwei dieser gesundheitsorientierten Studiengänge lehrt Stief Biomechanik: im Bachelor-Studiengang „Bewegung und Gesundheit“, der die wissenschaftlichen Grundlagen der Wechselwirkungen zwischen Bewegung, Gesundheit und Ernährung vermittelt, sowie im Masterstudiengang „Biomechanik – Motorik – Bewegungsanalyse“, in dem der Schwerpunkt seiner Lehrtätigkeit liegt.

„Wenn man es in einem Satz zusammenfassen will, vermittelt der Masterstudiengang die methodischen Kompetenzen, um alle Fragen der Messung und Analyse menschlicher Bewegung und der dabei auftretenden Belastungen wissenschaftlich bearbeiten zu können“, erklärt er.

2010 ins Leben gerufen, ist dieser Studiengang noch vergleichsweise jung – doch wird uns schnell klar, welcher Stellenwert ihm sowohl an der Universität selbst als auch vom Bundesland Hessen und Drittmittelgebern beigemessen wird. Denn bereits 2012 wurden mit einem neu gebauten Multifunktionsgebäude nicht nur zahlreiche weitere Seminar-, Besprechungs- und Büro­räume bereitgestellt, sondern auch hochwertig ausgestattete Funktionsbereiche und Labore für Bewegungsanalyse und Funktionsdiagnostik.

„Mit diesem Gebäude wurden für unsere Sportwissenschaft und insbesondere für den Studiengang ,Biomechanik – Motorik – Bewegungsanalyse‘ ganz neue Möglichkeiten geschaffen“, erklärt Thomas Stief, als er uns durch die Räumlichkeiten führt. Allein 100 Quadratmeter Fläche nimmt ein Kraft- und Fitnessbereich ein, in dem trainingswissenschaftliche Forschungsarbeiten durchgeführt werden können, aber auch Lehrveranstaltungen der Ausbildungsbereiche Prävention und Rehabilitation stattfinden. In einem kleineren Labor stehen Geräte und Messtechnik für die Kraft- und Ausdauerdiagnostik sowie für die Bewegungsanalyse auf dem Laufband zur Verfügung. Außerdem fallen hier ein mit diagnostischen Testverfahren ausgestattetes Ergometer ins Auge, in das Athleten ihr eigenes Rad einspannen können, und eine Beinpresse, die mit einer mobilen Kraftmessplatte ausgestattet werden kann.

Diese Räume streifen wir jedoch nur kurz, denn Stief führt uns zielgerichtet zum Herzstück des Gebäudes: zu einem großen Bewegungsanalyse-Labor, das mit 99 Quadratmetern Fläche und einer Höhe von rund sieben Metern schon auf den ersten Blick beeindruckt. „Das ist unser nemolab“, erklärt Thomas Stief, „der Name steht für ,neuromotor – behaviour –laboratory‘“. Das gesamte Gebäude, führt er aus, wurde architektonisch um dieses Labor herum geplant. Sollte es doch eine Raumhöhe erhalten, die eine besonders genaue Analyse von Bewegungen ermöglicht und zudem optimale Voraussetzung für die Video-Aufzeichnungen auch solcher Bewegungen bietet, die in die Höhe gehen, wie Korbwürfe und Sprünge beim Basketball oder Wurffinten beim Handball.

Im mittleren und oberen Bereich der Wände sind an rundum laufenden Stangen Vicon-Kameras installiert, weitere Kameras können auf portablen Stativen flexibel im Raum eingesetzt werden. Mit seinem derzeit insgesamt 12 Vicon-
Kameras umfassenden 3D-Videoanalyse-System, zu dem im Herbst 2018 weitere 24 Kameras hinzukommen werden, und drei in den Boden eingelassenen AMTI- und Kistler-Kraftmessplatten ist das nemolab in der Bewegungsanalyse sehr gut aufgestellt und braucht auch den Vergleich mit Laboren größerer Universitäten in keiner Weise zu scheuen. Dadurch, dass die Kraftmessplatten variabel angeordnet werden können, sind Bodenreaktionskräfte beim Gehen und Laufen messbar. Gleichzeitig können die Bewegungen mit den Kameras erfasst und dann Drehmomente und Gelenkbelastungen über Modelle errechnet werden.

„Parallel können wir die Elektromyografie hinzuziehen und die elektrische Aktivität von bis zu 32 Muskeln erfassen“, erläutert Stief. Sowohl das EMG (Myon 320) als auch die Kraftmessplatten sind in Echtzeit mit den Vicon-
Kameras synchronisiert. „Schon mit 
wenigen EMG-Kanälen können wir untersuchen, was ein Muskel im Verlauf 
einer bestimmten Bewegung macht. Bei grundsätzlicheren Fragestellungen nutzen wir aber durchaus eine große Anzahl von EMG-Kanälen – zum Beispiel, wenn wir erfassen wollen, welche Muskeln insgesamt in bestimmten Bewegungsphasen aktiv sind und wie sich diese 
Aktivität darstellt“, erklärt Stief.

Alle Forschungsarbeiten im nemolab sind empirisch ausgerichtet und 
haben mit Bewegung zu tun, doch sind es ganz unterschiedliche Fragestellungen, mit denen sich die Wissenschaftler an der Uni Gießen diesem Thema nähern. Denn es sind drei Arbeitsbereiche des Instituts für Sportwissenschaft, die das 
nemolab aufgebaut haben: Bewegungswissenschaft und Sportpsychologie, 
Experimentelle Sensomotorik sowie Trainingswissenschaft – sie alle bringen 
ihren je eigenen Blickwinkel auf Bewegung mit.

Der Arbeitsbereich Trainingswissenschaft befasst sich zum einen damit, wie durch Trainingsprozesse gezielt auf relevante Leistungsvoraussetzungen eingewirkt werden kann. Auch Fragen der motorischen Kontrolle und des motorischen Lernens sowie sportliches Techniktraining ist Gegenstand der Forschung und Lehre in diesem Bereich.

Der Arbeitsbereich Experimentelle Sensomotorik betreibt Grundlagenforschung dazu, wie die Motorik mit Prozessen der Wahrnehmung und des Denkens zusammenhängt. Dabei interessiert die Forscher zum Beispiel, wie manuelle Körper- und Werkzeugbewegungen kontrolliert werden oder wie sich Expertise
im Umgang mit Werkzeugen auf die Wahrnehmung und die Handlungssteuerung auswirkt. Im Fokus steht dabei auch die Rolle, die das sensomotorische System für höhere kognitive Prozesse spielt.

In der anwendungsorientierten Forschung beschäftigt sich der Arbeitsbereich Experimentelle Sensomotorik mit der Frage, wie sich motorische Lernprozesse, die in der Schule, im Sport oder in der Arbeitswelt stattfinden, optimieren lassen. Hier interessiert die Wissenschaftler zum Beispiel, welche Rolle die Aufmerksamkeit spielt, wenn eine Fertigkeit erlernt wird, oder wie sich das motorische Lernen im Altersverlauf verändert.

Im Arbeitsbereich Bewegungswissenschaft und Sportpsychologie ist auch die Stelle von Thomas Stief angesiedelt. Hier werden bewegungswissenschaftliche Fragestellungen untersucht, aber auch Gehirnprozesse bei der Bewegungsausführung und Bewegungsvorstellung betrachtet. Dabei kann es da­rum gehen, welche neuronalen Vorgänge diesen Bewegungen zugrunde liegen oder durch welche Maßnahmen sich das Bewegungslernen verbessern lässt.

„Wir freuen uns, dass die Forschung unserer drei Arbeitsbereiche in den Vorjahren so viel Anerkennung gefunden hat, dass wir die finanzielle Unterstützung bekommen haben, um das nemolab gemeinsam aufbauen zu können“, sagt Dr. Mathias Reiser vom Arbeitsbereich Bewegungswissenschaft und Sportpsychologie, Leiter des nemolab und für dessen Aufbau verantwortlich.

Insgesamt zeichnet sich die Forschung und Lehre am Institut für Sportwissenschaft dadurch aus, dass die drei Fachbereiche eng zusammenarbeiten und teilweise gemeinsame Studien durchführen. Auf diese Weise können sich die unterschiedlichen Herangehensweisen, mit denen sie auf Bewegung und Bewegungslernen schauen, gegenseitig bereichern. „Aus dieser Zusammenarbeit zwischen Experimenteller Sensomotorik, Trainingswissenschaft und Bewegungswissenschaft haben wir auch den Master-Studiengang ,Biomechanik – Motorik – Bewegungsanalyse‘ entwickelt, der in dieser Zusammenstellung außergewöhnlich ist“, erklärt Reiser.

Genau diese Kombination der Fächer ermöglicht es, dass die Studierenden vertiefte Kenntnisse der Biomechanik erhalten, sich aber auch mit sensomotorischer Kontrolle, sensomotorischem Lernen sowie Neurophysiologie der Motorik befassen.

„Eine Besonderheit besteht auch darin, dass wir alle Module speziell für diesen Studiengang entwickelt haben. Für das Modul ,Angewandte Mathematik‘ zum Beispiel müssen unsere Studierenden keine Veranstaltungen des Fachbereichs Mathematik besuchen, sondern erlernen genau die Mathematik, die sie wirklich brauchen“, betont Mathias Reiser. Er freut sich, dass mit der neu geschaffenen Stelle von Thomas Stief auch die Biomechanik vom Institut selbst bestritten werden kann – zuvor war dieses Modul in Kooperation mit der Technischen Hochschule Mittelhessen angeboten worden.

Ein besonderer Schwerpunkt, der sich durch alle vier Semester des Studiengangs zieht, ist die Beschäftigung mit Messtechnik zur Bewegungs- und Belastungserfassung, wobei es gilt, sowohl ihre Grundlagen zu verstehen, als auch Messsysteme in eigenen Projekten anzuwenden. Im ersten Semester vermittelt Thomas Stief das dazu nötige biomechanische Hintergrundwissen, aber auch das erforderliche Anwenderwissen.

Besonders wichtig ist es ihm, dass die Studierenden nicht einfach nur lernen, wie man Messsysteme bedient, sondern
die nötigen Kenntnisse erwerben, um die jeweilige Messtechnik sinnvoll und richtig einsetzen zu können. Dabei sensibilisiert Stief die jungen Menschen unter anderem dafür, dass jede Messtechnik Stärken und Schwächen hat.

„Die Anwendung eines Messsystems macht nur Sinn, wenn man es zielorientiert einsetzt und nicht einfach irgendwas misst“, erklärt er. „Zunächst einmal muss ich wissen, welche Parameter ich untersuchen muss, um eine spezifische Fragestellung beantworten zu können. Und dann ist wichtig zu verstehen, mit welcher Mess­technik ich diese Parameter überhaupt erfassen kann – und wie gut, aber auch mit welchen Grenzen diese Messtechnik uns das ermöglicht.“

Die Druckverteilungsmessung sei zum Beispiel ein geeignetes Verfahren, um den plantaren Druck beim 
Diabetischen Fußsyndrom zu ermitteln. Doch erlaube sie keine Rückschlüsse auf andere Belastungen und Beanspruchungen. „Die Druckverteilungsmessung 
bezieht die vertikale Komponente der Bodenreaktionskraft ein. Die beiden Scherkraft-Komponenten der Bodenreaktionskraft und Drehmomente können so nicht gemessen werden“, führt Thomas Stief aus.

Externe Drehmomente könne man unter anderem mit einer Bodenreaktionskraftmessung in Kombination mit einer 3D-Bewegungsanalyse oder anderen geeigneten Verfahren erfassen – und nur verstehen, wenn man das nötige biomechanische Hintergrundwissen habe. „Wenn man darüber aber verfügt und diese Parameter mit einbezieht, dann kann man viel besser entscheiden, wie Versorgungen mit Einlagen und Schuhen beschaffen sein müssen, um den gewünschten Entlastungseffekt zu erreichen“, so Stief. Im Idealfall ergänzen sich aus seiner Sicht unterschiedliche Methoden und ermöglichen unterschiedliche Perspektiven auf die Belastungssituation der Füße.

Sind die für eine Fragestellung relevanten Parameter und das geeignete
Messverfahren erkannt, sei es wichtig zu differenzieren, welches Messsystem technisch gesehen dazu in der 
Lage ist, diese Parameter genau genug zu erfassen. Studierende, die Bewegungen beim Laufen analysieren und das geeignete Analysesystem dazu suchen, müssen sich zum Beispiel fragen: Mit welcher Messfrequenz erhebt das Messsystem die 
Daten, das heißt wie viele Abtastungen finden pro Sekunde statt und reicht das, um eine Bewegung von dieser Geschwindigkeit genau zu erfassen?

Verschiedene Bewegungsanalysesysteme haben ganz unterschiedliche Stärken und Schwächen, weiß Stief zu berichten, und ihre Ergebnisse damit 
eine sehr unterschiedliche Aussagekraft. Manche Systeme, erklärt er, können zwar sehr gut die Bewegung von starren Körpern ermitteln und zum Beispiel zeigen, wie sich der Körperschwerpunkt beschleunigt. Doch Aussagen über die tatsächlichen Gelenkbelastungen beim menschlichen Körper oder das Auftreten von Drehmomenten zu treffen, sei mit ihnen extrem schwierig. „Man muss einfach wissen, wozu Messsysteme geeignet sind und wie auch bei geeigneten Verfahren Ungenauigkeiten in den Mess­ergebnissen entstehen können.“

Nachdem die Studierenden für diese Problemstellungen des Messens sensibilisiert worden sind, haben sie im zweiten und dritten Semester die Aufgabe, sich ein eigenes Messprojekt zu suchen. Besonders gern regt Thomas Stief sie dazu an, eigene Messverfahren zu entwickeln. Da die jungen Menschen den Masterstudiengang mit sehr unterschiedlichen Voraussetzungen angetreten haben, zeigen die von ihnen ausgewählten Fragestellungen eine große Bandbreite.

„Studierende mit physiotherapeutischem Hintergrund haben natürlich einen anderen Fokus als Studierende mit einem sportwissenschaftlichen oder technischen Hintergrund“, berichtet Stief. Studentinnen und Studenten, deren Bachelorstudiengang durch den Maschinenbau geprägt oder ingenieurwissenschaftlich ausgerichtet war, wagen sich häufig an die Entwicklung eigener Messgeräte – sie bringen dafür ein technisches und mechanisches Verständnis mit.

„Erstaunlich viele entscheiden sich für Projekte, die auch mit schuhtechnischen und orthopädischen Fragestellungen verbunden sind“, so Thomas Stief. Aufgrund seines eigenen Werdegangs freut er sich darüber sehr, absolvierte er doch eine Ausbildung zum Orthopädieschuhmacher mit Meisterabschluss, anschließend ein Studium der Technischen Orthopädie an der Fachhochschule Münster und war vor der jetzigen Stelle für die Leitung und den Aufbau der Forschung des bifo-ost zuständig. „Mein Wunsch ist nach wie vor, dass mehr schuhtechnische und bewegungsanalytische Fragestellungen in die Forschung und Lehre gelangen – und mehr Wissenschaft in die Orthopädieschuhtechnik“, erklärt er.

Die Studenten Nils Krug und Markus Güttes haben sich zum Beispiel dafür entschieden, einen Messstand zu entwickeln, mit dem man die Torsionssteifigkeit von Schuhen und Orthesen untersuchen kann. „Bislang gibt es so gut wie keine Messgeräte, die diese Größe erfassen können“, erklärt Stief. Mit Messständen werde vor allem die Biegesteifigkeit des Schuhs gemessen, nicht aber seine Verwringbarkeit zum Beispiel zwischen Vor- und Rückfußbereich, die bei Sportschuhen eine große Rolle spielt. Bei Sportarten mit vielen Seitwärts- und Cuttingbewegungen ist es besonders wichtig, dass der Schuh torsionsfähig ist und eine ausreichende Beweglichkeit im unteren Sprunggelenk lässt.

Aus ihren Bachelor-Studiengängen brachten die beiden Studenten Voraussetzungen mit, die sich für dieses Projekt ideal ergänzten: Während Güttes Maschinenbau-Kenntnisse beisteuerte, brachte Krug aus seinem Bachelor-Studiengang Kenntnisse der Biomechanik und Bewegungswissenschaft mit. Für ihr Projekt lösten sie nicht nur die Herausforderung, ein Gerät zu konstruieren, das Schuhe mechanisch tordieren kann, sondern mussten auch ermitteln, an welchen Stellen der Fuß überhaupt eine Verwringung des Schuhs benötigt.

Ein anderer Student untersuchte, wie genau die Ergebnisse für die Ermittlung der Gelenkdrehpunkte der Hüfte sind, die man bei der 3D-Bewegungsanalyse mit unterschiedlichen Markermodellen erhält. Aus den Hüftmarkern, die zum Beispiel für das Plug-in-Gait-Modell verwendet werden, berechnet die Software, wo die Gelenkdrehpunkte sind. Der Student verglich diese errechneten Ergebnisse mit MRT-Aufnahmen, aus denen direkt zu ermitteln ist, wo der Hüftkopf der Probanden sitzt und wo sich das Drehzentrum befindet.

„Es gibt unzählige messtechnische Fragestellungen, die für die Orthopädieschuhtechnik interessant sind“, ist Thomas Stief überzeugt. Besonders spannend findet er derzeit die Frage, mit welchen messtechnischen Voraussetzungen man die Wirkung sensomotorischer Einlagen untersuchen kann – eine Frage, die aufgrund der Wirkungsnachweise, die zunehmend von den Kostenträgern gefordert werden und für die Aufnahme ins Hilfsmittelverzeichnis nötig sind, für die Branche immer drängender wird. Zusammen mit seinen Studierenden und den anderen Arbeitsbereichen des Instituts für Sportwissenschaft möchte er erarbeiten, wie ein Messaufbau aussehen kann, mit dem man den Effekt sensomotorischer Einlagen ermitteln kann – idealerweise in einer wissenschaftlichen Studie, aber auch im Arbeitsalltag. Eine Arbeitsgruppe entwirft derzeit ein Mess-Set-up für erste Tests.

Dadurch, dass der Studiengang „Biomechanik – Motorik – Bewegungsanalyse“ nicht nur die für die Bewegungsanalyse erforderlichen biomechanischen, mathematischen und messtechnischen Kenntnisse, sondern auch die Voraussetzungen des wissenschaftlichen Arbeitens vermittelt, sind die jungen Menschen am Ende des Studiums in der Lage, selbst empirische Studien in allen möglichen Bereichen durchzuführen. Berufliche Einsatzgebiete finden sie in neurologischen Kliniken, Forschungseinrichtungen, in der Orthopädie und Rehatechnik, in der Industrie (zum Beispiel bei der Sportgeräteentwicklung) und in der Entwicklung von Kontroll- und 
Diagnosegeräten im Sportbereich. Auch für die Bewegungsanalyse in der Orthopädietechnik und -schuhtechnik haben sich Absolventen des Studiengangs entschieden.

Thomas Stief ist überzeugt: „Bei uns werden Menschen ausgebildet, die hochkompetent Bewegung und Belastung am menschlichen Körper mess­technisch erfassen und in empirischen Studien oder im Praxisalltag untersuchen können. Menschen, die auch verstehen, wie Bewegung erlernt wird und warum Bewegung auf eine bestimmte Weise ausgeführt wird.“

Artikel aus Orthopädieschuhtechnik 9/2018